Терминология
Что понимается под термином "диффузионное- тензорное изображение" и какие основные понятия этого метода исследования мозга?
Диффузионное тензорное сканирование головного мозга − это способ визуализации головного мозга с использованием магнитно-резонансного томографа. Метод разработан в конце прошлого столетия. К основным понятия необходимым для понимания особенностей этого исследования относятся: "диффузия" − процесс движения ионов в живых клетках или тканях, который ограничивается препятствиями, например, стенками клеток или трактами (белые пучки волокна головного мозга; "анизотропия − направленность диффузии воды; "тензор диффузии" − элемент диффузионной-тензорной томографии, представляющий собой описание диффузии в трехмерном изображении; "трактография" - метод визуализации трактов или пучков волокон соединяющих одни структуры мозга с другими, в результате которого получается изображение; проводящих путей белого вещества; "воксель" (от англ. voxel — volume element)− пространственный элемент, имеющий числовое значение или это трехмерный аналог пикселя, который является элементарным объемом в трехмерном пространстве.
Что понимается в структурной визуализации мозга под термином "векторные карты"
При исследовании используются магнитно-резонансные томографы, имеющие силу поля 1,5-3 Тесла. Изображение получают с помощью специализированного программного обеспечения. В результате получаются "векторные карты", где направление диффузии молекул воды имеет свой цвет: красный: вода движется “вправо-влево”; зеленый - “вперед-назад”, синий- “вверх-вниз”.
Диффузия воды в биологических тканях
Как происходит диффузия воды с биологических тканях?
"Диффузия" воды в биологических тканях происходит внутри, снаружи, вокруг и через клеточные структуры. Распространение воды обусловлено прежде всего случайными тепловыми флуктуациями. Поведение воды далее модулируется взаимодействием с клеточными мембранами, субклеточными структурами и органеллами. Клеточные мембраны препятствуют диффузии воды, заставляя воду принимать более извилистые пути, тем самым уменьшая среднее квадратичное смещение. Диффузионная извилистость и соответствующая кажущаяся способность воды к диффузии могут быть увеличены либо за счет набухания клеток, либо вследствие увеличенной их плотности. И наоборот, некроз, который приводит к разрушению клеточных мембран, уменьшает извилистость и увеличивает степень диффузии. Внутриклеточная вода более ограничена мембранами. клетки.
Как происходит диффузия воды в волокнах белого вещества мозга?
В волокнистых тканях, включая белое вещество мозга, диффузия воды происходит относительно беспрепятственно в направлении, параллельном ориентации волокна. И наоборот, диффузия воды сильно ограничена и затруднена в направлениях, перпендикулярных волокнам
Какие компоненты диффузии отслеживались в ранних работах по диффузионному- тензорному изображению?
Диффузия в волокнистых тканях анизотропна. В экспериментах по ранней визуализации с помощью отслеживания диффузии воды использовались измерения параллельных ( D || ) и перпендикулярных ( D ⊥ ) компонентов диффузии для характеристики диффузионной анизотропии. Применение тензора диффузии для описания анизотропного диффузионного поведения было введено P. Basser et al. (1994) В этой элегантной модели диффузия описывалась многомерным нормальным распределением.
Показатели, используемые в исследовании мозга с помощью диффузионного тензорного изображения
Какие общие показатели (параметры) диффузионного тензорного изображения?
Диффузионное тензорное изображение (DTI) - перспективный метод визуализации мозга , который получить характеристики микроструктурных изменений его тканей, необходимые для диагностики и контроля эффективности терапии неврологических и психических расстройств. Тензор диффузии можно использовать для характеристики величины, анизотропии и ориентации волокон мозга. Общими параметрами DTI являются: средняя диффузия (MD), фракционная анизотропия (FA), радиальная диффузия (Dr) и осевая диффузия (Da). Эти параметры позволяют оценить состояние волокон белого вещества мозга . FA очень чувствительна к изменениям микроструктуры, но не очень специфична к типу изменений (например, радиальному или осевому).
Каким образом можно определить ориентацию вектор тензора диффузии и получить правдоподобные реконструкции основных пучков волокон?
Ориентация основного вектора тензора диффузии обычно предполагается параллельной локальным пучкам белого вещества. Эти диаграммы направленности могут быть просто изображены с использованием цветовых карт, представляющих основное направление собственного вектора . Эти цветовые карты очень полезны для исследования организации белого вещества в головном мозге и для идентификации основных участков белого вещества в 2D-средах. Еще один подход к оценке вариантов соединения белого вещества в 3D - это использование тракта по белому веществу, которое следует за когерентными пространственными структурами в основных собственных векторах поля диффузионного тензора. Модели белого вещества оцениваются путем запуска в определенном месте (также называемого «точкой семян»), оценивая направление распространения (часто определяемое как основной собственный вектор) и перемещая на небольшое расстояние в этом направлении (называемое интеграцией трактов). Затем направление тракта пересматривается и берется другой небольшой шаг, и так далее, пока тракт не закончится. Тракты могут быть ограничены использованием одной или нескольких областей, представляющих интерес. Большинство алгоритмов используют основной собственный вектор для оценки касательной траектории для пучка волокон белого вещества, хотя также были разработаны методы трассировки, основанные на полном поле тензора диффузии. Используя эти методы, алгоритмы изображения трактов способны генерировать анатомически правдоподобные оценки траекторий белого вещества в мозге человека. Методы отслеживания трактов были использованы для генерации анатомически правдоподобных реконструкций основных проекционных путей (например, кора - спинальный тракт, ), связей между полушариями мозга (например, мозолистого тела, передней связки) и пучков ассоциативных волокон (например, дугообразный и нижний продольный пучки волокон и т. д.). На сегодняшний день первичными приложениями исследования трактов являются визуализация траекторий белого вещества в 3D (особенно в отношении патологии мозга) и сегментация конкретных областей мозга.
Какие процессы в белом веществе мозга можно оценить с помощью средней, радиальной и осевой диффузии?
Однако интерпретация изменений в измеренном тензоре диффузии является сложной и должна выполняться с осторожностью. Во многих исследованиях основное внимание уделяется диффузионной анизотропии (обычно мера FA), которой может быть недостаточно, чтобы охарактеризовать изменения ткани. Например, невропатология белого вещества (WM) часто приводит к уменьшению анизотропии, что может быть результатом либо увеличенной радиальной (перпендикулярной) диффузии, либо уменьшенной осевой (параллельной) диффузии. Измерения MD или следа могут помочь лучше понять, как изменяется тензор диффузии. В качестве альтернативы, в более поздних исследованиях начали изучать измерения как собственных значений, так и радиальной и осевой диффузии непосредственно для получения более конкретной информации о тензоре диффузии.
Как меняются параметры диффузионного-тензорного изображения при повреждениях миелина оболочки аксонов?
При отсутствии другой информации FA является высокочувствительным, но довольно не специфична как биологический маркером неврологических и психических расстройств и микроструктурной архитектуры. Это создает проблемы для интерпретации измерений DTI при диагностических и терапевтических задачах. Многие исследования предполагают, что FA является маркером так называемой целостности белого вещества. Результаты могут быть интерпретированы с большей специфичностью. Например, потеря миелина может привести к увеличению радиальной диффузии с минимальным влиянием на осевую диффузию.
Изображения белого вещества мозга
Каким образом с помощью структурной визуализации мозга мы можем увидеть состояние белого вещества мозга и его трактов?
Диффузионное-тензорное изображение получается при измерении диффузии воды в каждом пространственном участке (вокселе). На основании изображения формируется матрица, содержащая 3 числовых значения и 3 вектора, описывающих направление диффузии воды в выбранном участке тканей. Диффузионное-тензорная томография позволяет увидеть структурные связи между отделами и зонами головного мозга, отображает строение белого вещества головного мозга (аксонов нейронов, собранных в пучки). 
Проводящие пути головного мозга
Протокол тензора диффузии
Какие требования к составлению протокола тензора диффузии?
Существует ряд соображений, которые следует учитывать при составлении протокола тензора диффузии. Выбор протокола усложняется широким спектром параметров последовательности импульсов, которые необходимо настроить. Оптимальное диффузионного-взвешивание (также называемое b-значением) для мозга составляет примерно от 700 до 1300 с / мм 2 с b-значением 1000 с / мм 2 и считается наиболее распространенным. Выбор количества направлений кодирования зависит от доступности наборов направлений кодирования, требуемого времени сканирования и максимального количества изображений, которые могут быть получены в серии. Измерения диффузионной анизотропии, как правило, весьма чувствительны к шуму изображения, что также может привести к смещениям в оценках анизотропии. Точность параметров DTI может быть улучшена путем увеличения количества направлений кодирования или увеличения количества средних значений. К сожалению, это увеличивает время сканирования для получения данных DTI. Очевидно, что сигнал/ шум (SNR) изображения можно улучшить, используя более крупные воксели, хотя это увеличит частичное усреднение объема тканей, что может привести к ошибкам в соответствии с моделью диффузионного тензора. Конкретные параметры протокола будут зависеть от приложения. Для многих обычных клинических применений (быстрая оценка мозга, инсульт, опухоли головного мозга) довольно небольшое пространственное разрешение может использоваться с небольшим количеством направлений кодирования.
Ошибки визуализации мозга с помощью диффузионного тензорного изображения
Какие ошибки изображения возможны при диффузионной-тензорной визуализации мозга?
Наиболее распространенным методом диффузионной-взвешенной визуализации (DWI) считатеся импульсная последовательность импульсного градиента, спин. эха (PGSE) с однократным считыванием эхо-планарного изображения (EPI). Простейшая конфигурация этой последовательности импульсов использует пару больших градиентных импульсов, расположенных с обеих сторон 180 ° -фокусирующего импульса. Первый градиентный импульс устраняет фазу намагниченности по образцу (или вокселю при визуализации); а второй импульс - меняет фазу намагниченности. Сигналы магнитно-резонанной томографии пропорциональны сумме компонентов намагниченности от всех молекул воды в вокселе. Таким образом, фазовая дисперсия от диффузии приведет к затуханию сигнала. Искажение изображения из-за неоднородностей магнитного поля приводит к тому, что анатомия мозга проявляется в нелинейном искажении в направлении фазового кодирования. Эти эффекты могут быть особенно серьезными в областях, расположенных вблизи границ кости / воздуха / мозга, таких как основание черепа, префронтальные области и нижняя височная доля вблизи слухового канала. К сожалению, почти все опубликованные исследования DW-EPI не используют коррекции искажений.
Перспективы диффузионного- тензорного изображения в исследованиях мозга
В каких направления развивается диффузионное -тензорное изображение?
Изображение тензора диффузии (DTI) можно использовать для отображения и характеристики трехмерной диффузии воды в зависимости от пространственного расположения волокон. Тензор диффузии описывает величину, степень анизотропии и ориентацию диффузионной анизотропии. Оценки структур связности белого вещества в мозге из трактов белого вещества могут быть получены с использованием диффузионной анизотропии и основных направлений диффузии. Приложения DTI быстро растут, потому что этот метод очень чувствителен к изменениям на клеточном и микроструктурном уровне. Новые последовательности импульсов и схемы кодирования тензора диффузии постоянно разрабатываются для улучшения пространственного разрешения и точности и уменьшения артефактов в измерениях диффузионного тензора.
Показания к исследованию
В каких областях медицины можно использовать диффузионную тензорную визуализацию мозга?
Показаниями к диффузионному-тензорному исследованию являются:
● подозрения на наличие опухолей мозга при диагностике и нейрохирургического лечения
- оценка последствий черепно-мозговой травмы
- исключение заболеваний, сопровождающихся повреждением миелина оболочки аксонов ( например, рассеянного склероза или аутоиммунного энцефалита) ;
- ишемические повреждения тканей головного мозга, подозрение на инсульт;
- врожденные аномалии головного мозга;
- персонализированный подход для диагностики и терапии психических расстройств ( галлюцинаций, бреда и др.)
- выделение мишеней для магнитно и электрической стимуляции мозга
дифференциальной диагностики отдельных психических расстройств
Чем полезна диффузионная - тензорная визуализация мозга для психиатра?К сожалению, в рутинной практике психиатрии диффузно-тензорное сканирование не используется, но для врача-психиатра важно знать, какие связи между структурами головного мозга пострадали, какие механизмы их повреждения: ишемический, повреждение миелина ( оболочки аксонов), воспаление. Эти данные помогают оценить повреждение мозга у конкретного больного и целенаправленно устранить это повреждение с помощью стимуляции выбранных для лечения трактов, то есть, назначить лечение, направленное на причину и патогенез заболевания, определить прогноз и сроки терапии. В нашей клинике мы используем диффузное-тензорное изображение при основных симптомов, синдромов и болезней психической сферы. Особенно это исследование информативно при персонализированном подходе к лечению пациентов, страдающих:
● деменции
● шизофрении;
● аутизме;
● расстройствах тревожного и депрессивного спектра;
● биполярном аффективном расстройстве.
Почему структурная визуализация мозга востребована в нейрохирургии?
Диффузионная-тензорная томография сегодня , к сожалению, доступна в передовых клиниках, но малодоступна в бюджетной сфере медицины и не входит в стандарты обследования психических больных. Однако, в нейрохирургии, это исследование помогает минимизировать риски оперативного вмешательства, облегчает предоперационное планирование, например, проясняет сдавливает ли опухоль соседнюю ткань, или повреждает белое вещество головного мозга.
Каким образом диффузионное тензорное изображение мозга помогает выбрать оптимальный метод лечения психического расстройства?
В основе лечения психического расстройства у конкретного пациента должны лежать объективные критерии диагностики, позволяющие понять причины, механизмы возникновения расстройства и выбрать мишени для терапии. Диагноз ставится не только на основе жалоб, расспросов родственников, оценки с помощью специальных шкал, но и с помощью лабораторных и инструментальных методов, в том числе и диффузно-тензорного сканирования, которое позволяет исследовать участки белого вещества и структурно-функциональные отношения между зонами головного мозга. Объективизация диагностики и целенаправленное устранение причин и механизмов расстройств приводят к лучшим результатам лечения, чем назначение препарата методом проб и ошибок. Можно сказать, что будущее психоневрологии за персонализированной объективизацией поражения мозга при постановки диагноза, в том числе и с помощью диффузионной-тензорной томографии.
Также, Вам могут быть интересны следующие статьи нашего сайта:
1. https://minutkoclinic.com/blog-doktora-minutko/traktograficheskiy-analiz-pri-ranney-shizofrenii
2. https://minutkoclinic.com/blog-doktora-minutko/traktografiya-v-neyrohirurgii
3. https://minutkoclinic.com/blog-doktora-minutko/traktografiya-pacientov-s-psihozom-po-rezultatam-issledovaniy-v-nashey-klinike